硅橡胶膜生物反应器封闭循环发酵生产燃料乙醇研究

论文摘要

乙醇是目前世界上生产历史最悠久、产量最大的发酵工业产品，而燃料乙醇作为石油类燃料的替代品的升温再度激发了先进、环保的乙醇发酵工艺研究。高效低耗的连续发酵与渗透汽化耦合生产乙醇技术只有配以高性能的膜材料才能获得更大发展。本研究基于硅橡胶复合膜对乙醇的选择透过性及对微生物无毒害等特点，利用自制硅橡胶（PDMS）平板复合膜构造了乙醇连续发酵／渗透汽化耦合系统。发酵过程与硅橡胶膜渗透汽化过程耦合，降低发酵液中乙醇浓度，从而减弱甚至消除产物抑制效应，使系统能够长期稳定运行，并得到较高的乙醇体积产率。选用耐高温酿酒活性干酵母（TH-AADY），以葡萄糖作为原料进行连续发酵，膜生物反应器连续运行269小时，其间细胞、葡萄糖和乙醇浓度保持相对稳定。由于渗透汽化过程的进行，发酵液中乙醇浓度控制在35～45g/L，酿酒酵母浓度维持在20～25g/L，在发酵与渗透汽化耦合阶段，乙醇产率达到3.4g/（Lh），是间歇发酵时的4.5倍。乙醇得率系数为0.46，乙醇的转化率达到91％。膜下游冷凝收集液的浓度可达28.2～16.5％（w％），总渗透通量达到1226～707g/（m2h），乙醇渗透通量为293～117g/（m2h），分离因子为8.5～4.9。采用淀粉糖化液作为发酵唯一碳源，进行连续发酵与渗透汽化耦合实验，膜生物反应器连续运行166小时，发酵液内乙醇浓度随着渗透汽化的进行快速下降，减弱了产物抑制效应，酵母浓度增长并长时间维持在15g/L以上。糖化液发酵得到平均乙醇产率为1.37g/（Lh），乙醇对基质的得率为0.44，乙醇转化率为86.2％。下游渗透汽化后采取两级冷凝以得到更高浓度的乙醇渗透液，第一级（0℃）收集到乙醇浓度为12.76～3.48％（w％），第二级（-30℃）收集到乙醇浓度为69.17～36.47％（w％），基本实现了初步对乙醇渗透液浓缩的目的。总渗透通量为1105.3～599.3g/（m2h），其中乙醇通量为371.5～91.6g／（m2h），分离因子为8.1～6.5。实验室自制的PDMS复合膜在分离发酵液时表现出很高且稳定的分离性能，渗透通量和分离因子长期保持稳定。在相近条件下，发酵液的总渗透通量、乙醇通量和分离因子均高于乙醇-水模型溶液。通过与圆形膜器比较，矩形膜器进行的连续发酵实验发酵性能参数以及渗透汽化参数都有所提高，说明按比例扩大发酵-渗透汽化耦合实验规模对发酵环境及渗透汽化性能未产生不良影响，这对进一步扩大连续发酵规模具有重要指导意义。在通过渗透汽化作用减轻了产物抑制效应后，副产物抑制问题变得更加突出，尤其在淀粉糖化液连续发酵实验中，强烈抑制作用导致酵母生长及代谢活动停滞。要将连续发酵与渗透汽化耦合系统工业化就需要解决副产物抑制以及如何维持细胞活性等问题。除了要改善发酵环境，使其更适合酵母生长发酵外，还要选择更适合本系统的微生物进行发酵，同时也可以利用先进基因技术对细胞进行性能优化，以达到我们系统的特殊环境要求。

论文目录

• 摘要
• Abatract
• 第一章 概论
• 1.1 乙醇作为清洁燃料的发展概况
• 1.1.1 燃料乙醇的社会意义
• 1.1.2 燃料乙醇的应用及经济价值
• 1.2 乙醇发酵工艺
• 1.2.1 乙醇传统发酵模式
• 1.2.2 与分离技术耦合的乙醇发酵
• 1.3 硅橡胶膜生物反应器的发展及应用
• 1.3.1 渗透汽化及硅橡胶复合膜
• 1.3.2 硅橡胶膜生物反应器的应用
• 1.3.2.1 硅橡胶膜生物反应器用于VOCs有机废水处理
• 1.3.2.2 硅橡胶膜生物反应器用于生物转化
• 1.3.2.3 硅橡胶膜生物反应器用于乙醇连续发酵
• 1.3.3 渗透汽化乙醇连续发酵的经济评价
• 1.4 本研究的任务
• 第二章 硅橡胶膜生物反应器设计及其性能
• 2.1 硅橡胶膜生物反应器结构设计
• 2.1.1 发酵反应器选型
• 2.1.2 膜组件
• 2.2 酵母及工艺参数
• 2.2.1 酿酒酵母
• 2.2.2 培养基配方
• 2.2.2.1 能源与碳源
• 2.2.2.2 氮源
• 2.2.2.3 无机盐
• 2.2.2.4 微量元素
• 2.2.3 工艺参数
• 2.2.3.1 pH值
• 2.2.3.2 温度
• 2.2.3.3 供氧
• 2.2.4 乙醇发酵的副产物
• 2.3 硅橡胶膜生物反应器系统
• 2.3.1 实验条件的确定
• 2.3.1.1 温度
• 2.3.1.2 基质糖浓度
• 2.3.2 实验装置与流程
• 2.3.3 取样及分析
• 2.3.4 间歇发酵
• 2.3.5 连续发酵
• 2.3.5.1 发酵-分离耦合性能
• 2.3.5.2 反应器pH值
• 2.3.5.3 反应器细胞活性
• 2.4 小结
• 第三章 以淀粉为原料的膜生物反应器封闭循环生产乙醇系统
• 3.1 淀粉在国民经济中的作用及发展趋势
• 3.1.1 淀粉化学品的应用
• 3.1.2 淀粉质原料生产乙醇
• 3.2 淀粉的液化和糖化
• 3.3 糖化液与葡萄糖间歇发酵实验
• 3.4 以糖化液为碳源连续发酵生产乙醇实验
• 3.4.1 实验装置和流程
• 3.4.2 取样及分析
• 3.4.3 连续发酵性能
• 3.5 小结
• 第四章 膜传质动力学
• 4.1 渗透汽化传质理论模型
• 4.1.1 溶解扩散模型
• 4.1.2 虚拟相变溶解扩散模型
• 4.1.3 孔流模型
• 4.2 串联阻力模型
• 4.3 发酵液传质特性
• 第五章 膜生物反应器发酵动力学
• 5.1 细胞生长动力学
• 5.1.1 Monod生长动力学模型
• 5.1.2 有抑制的细胞生长动力学
• 5.1.2.1 基质抑制生长动力学
• 5.1.2.2 产物抑制生长动力学
• 5.1.2.3 细胞抑制生长动力学
• 5.1.3 温度和pH值对细胞生长速率的影响
• 5.1.3.1 温度
• 5.1.3.2 pH值
• 5.2 基质消耗动力学与产物生成动力学
• 5.3 膜生物反应器的发酵—分离耦合动力学
• 5.3.1 葡萄糖为碳源的连续发酵实验
• 5.3.2 糖化液为碳源的连续发酵实验
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 全封闭循环膜生物反应器连续发酵生产乙醇实验
• 6.1.2 以淀粉糖化液为碳源的乙醇连续发酵与渗透汽化耦合实验
• 6.2 实验中发现的问题及解决方案
• 6.3 展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢